Regulating the Coordination Geometry and Oxidation State of Single‐Atom Fe Sites for Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis

电催化剂 催化作用 密度泛函理论 氧化态 解吸 化学 氧气 无机化学 吸附 配位几何学 电化学 物理化学 计算化学 分子 有机化学 电极 氢键
作者
Minjie Wang,Li Wang,Qingbin Li,Dan Wang,Yang Liu,Yong-Jun Han,Yuan Ren,Gang Tang,Xiaoyang Zheng,Muwei Ji,Caizhen Zhu,Lishan Peng,Geoffrey I. N. Waterhouse
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (24) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202300373
摘要

Abstract FeNC catalysts demonstrate remarkable activity and stability for the oxygen reduction reaction (ORR) in polymer electrolyte membrane fuel cells and Zn–air batteries (ZABs). The local coordination of Fe single atoms in FeNC catalysts strongly impacts ORR activity. Herein, FeNC catalysts containing Fe single atoms sites with FeN 3 , FeN 4 , and FeN 5 coordinations are synthesized by carbonization of Fe‐rich polypyrrole precursors. The FeN 5 sites possess a higher Fe oxidation state (+2.62) than the FeN 3 (+2.23) and FeN 4 (+2.47) sites, and higher ORR activity. Density functional theory calculations verify that the FeN 5 coordination optimizes the adsorption and desorption of ORR intermediates, dramatically lowering the energy barrier for OH − desorption in the rate‐limiting ORR step. A primary ZAB constructed using the FeNC catalyst with FeN 5 sites demonstrates state‐of‐the‐art performance (an open circuit potential of 1.629 V, power density of 159 mW cm −2 ). Results confirm an intimate structure‐activity relationship between Fe coordination, Fe oxidation state, and ORR activity in FeNC catalysts.
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